1、 基于頻移鍵控編碼的雷達(dá)波形設(shè)計(jì)與應(yīng)用 徐學(xué)偉 張杰 彭霞Summary針對雷達(dá)在未來戰(zhàn)爭中面臨的偵收截獲與干擾威脅，采用復(fù)雜調(diào)制的編碼波形成為增強(qiáng)雷達(dá)低截獲與抗干擾性能的重要措施設(shè)計(jì)并工程實(shí)現(xiàn)了一種偽隨機(jī)的頻移鍵控雷達(dá)波形。仿真研究表明，該波形具有較好的脈沖壓縮和非規(guī)則的頻譜覆蓋特征;硬件實(shí)現(xiàn)與仿真設(shè)計(jì)結(jié)果相一致，表明工程實(shí)現(xiàn)方案合理可行，能夠?yàn)閺?fù)雜調(diào)制波形的實(shí)現(xiàn)提供有價(jià)值的參考?！綤ey】復(fù)雜調(diào)制 波形 低截獲 頻移 鍵控1 引言在復(fù)雜的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭環(huán)境下，雷達(dá)面臨著電子干擾、反輻射導(dǎo)彈和低空突防等威脅，增強(qiáng)雷達(dá)系統(tǒng)的低截獲和抗干擾性能成為雷達(dá)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。作為雷達(dá)射頻輻射在時(shí)、頻域的表征

2、，雷達(dá)采用的復(fù)雜調(diào)制波形對增強(qiáng)系統(tǒng)的抗偵收和抗干擾性能具有重要作用。最佳的雷達(dá)波形要求具有理想的圖釘形模糊函數(shù)，不僅要有高的測距、測速精度和良好的速度、距離分辨力，而且要有波形捷變能力，隨機(jī)/偽隨機(jī)的頻移鍵控信號即是這樣一種信號，可以有效增強(qiáng)雷達(dá)系統(tǒng)抗電子干擾的能力。作為一種特殊的隨機(jī)信號類型，頻移鍵控調(diào)制雷達(dá)信號的主要特征是其具有子碼元頻率捷變的能力，使信號具有頻譜適應(yīng)性，具有較好的抗干擾能力;能夠使得信號的時(shí)寬和帶寬都非常大，具有較大的時(shí)間帶寬積，可以在不提高脈沖重復(fù)頻率的情況下，增大了雷達(dá)的平均功率，即增大了雷達(dá)的探測距離，而又不會(huì)降低距離分辨率。本文基于對雷達(dá)復(fù)雜調(diào)制波形設(shè)計(jì)和頻移鍵控

3、編碼技術(shù)原理研究基礎(chǔ)上，采用偽隨機(jī)的編碼調(diào)制作為硬件實(shí)現(xiàn)的信號編碼方法，仿真和原理實(shí)驗(yàn)表明該類型信號在保持良好的脈沖壓縮和頻譜覆蓋等波形自身性能的同時(shí)，有效增強(qiáng)了雷達(dá)系統(tǒng)的抗電子干擾能力。2 采用頻移鍵控技術(shù)的波形設(shè)計(jì)2.1 頻移鍵控的基本原理作為增大雷達(dá)信號帶寬的一種方法，頻移鍵控是將一個(gè)信號寬度T的信號分成N個(gè)連續(xù)的子脈沖，每個(gè)脈沖內(nèi)部，頻率序列隨機(jī)地出現(xiàn)，表示為在時(shí)間段t1，t2，tN內(nèi)從可能的頻率集合f，f，fN中選出一個(gè)來作為發(fā)射信號的頻率。對于頻移鍵控信號，Costas陣列是其中一種非周期相關(guān)最佳的跳頻序列。Costas陣列可用一個(gè)NN階置換矩陣A=Ai，j來表示，Ai，j=1表示

4、第i個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)射波形的頻率為fi，即矩陣的行代表頻率，列代表時(shí)間間隔。Costas陣列的Welch構(gòu)造法如下：設(shè)p為素?cái)?shù)，是GF（p）的生成元（primitive root），對任意1ip-1，0ij=1當(dāng)且僅當(dāng)i=j，否則Aij=0，則矩陣Aij就是一個(gè)（p-1）（p-1）階的Costas陣列。設(shè)信號模型為式中，at為信號幅度;f0為載波頻率;0為初始相位;u（t）為信號包絡(luò)，可表示為式中，cn=exp（j2fnt）為第n個(gè)頻率的子脈沖編碼信號;p（t）是以TF為間隔的調(diào)制函數(shù)，通常為矩形脈沖。由此，信號模型即為式中，fn為第n個(gè)頻率子脈沖的編碼頻率，對應(yīng)于特定的頻移鍵控頻率;f0為載波

5、頻率。2.2 頻移鍵控波形設(shè)計(jì)設(shè)波形脈寬為6s，頻率子碼元數(shù)N為寬度為30?；陬l移鍵控的原理模型，設(shè)計(jì)的一種頻移捷變編碼序列如下：1 3 9 27 19 26 16 17 2029 25 13 8 24 10 30 28 22 4 125 15 14 11 2 6 18 23 7 21。該頻移捷變編碼與相應(yīng)位數(shù)的線性調(diào)頻編碼序列相比如圖2所示。理論上，對N位的編碼，頻移鍵控有N個(gè)可能的編碼順序，能夠提供足夠多的頻率編碼可能性，增加了偵收分析的難度。線性調(diào)頻是其中一種特殊的頻率子碼元與頻率編碼值成正比關(guān)系的編碼順序;而一般的移頻鍵控則在頻率子碼元與頻率編碼值之間具有隨機(jī)/偽隨機(jī)的編碼關(guān)系。根據(jù)

6、上述設(shè)計(jì)的波形，其對應(yīng)的頻譜如圖3所示，其中左側(cè)為頻移鍵控波形的頻譜，右側(cè)為普通線性調(diào)頻信號的頻譜圖。從圖中可以看出，偽隨機(jī)的頻移鍵控編碼信號頻譜聚集特征明顯，但頻譜不規(guī)整，不具有明顯的信號特征，辨識度差，而線性調(diào)頻信號的頻譜平坦度好，很容易判斷為線性調(diào)頻信號。圖4為頻移鍵控信號與線性調(diào)頻信號的時(shí)域分析圖，從圖中可以看出，頻移鍵控信號是隨機(jī)變化的，標(biāo)準(zhǔn)線性調(diào)頻信號時(shí)域是規(guī)律變化的圖5給出了頻移鍵控信號經(jīng)過匹配濾波后的輸出，中心呈尖銳的峰值，具有較好的主旁瓣特征。3 頻移鍵控波形的工程實(shí)現(xiàn)與性能分析頻移鍵控波形的工程實(shí)現(xiàn)主要完成所設(shè)計(jì)波形的數(shù)模轉(zhuǎn)換，主要功能模塊包括數(shù)據(jù)傳輸、FPGA調(diào)試口、XI

7、LINX FPGA處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD9739和頻譜儀等測試儀表，其具體的連接實(shí)現(xiàn)框圖如6所示。其中，數(shù)據(jù)傳輸通過網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)完成頻移鍵控波形數(shù)據(jù)的傳輸，USB口負(fù)責(zé)完成FPGA調(diào)試控制，F(xiàn)PGA部分完成AD9739的參數(shù)配置，并將頻移鍵控波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成AD9739的數(shù)據(jù)格式并可靠傳輸，測試儀表對設(shè)計(jì)波形的時(shí)頻特征進(jìn)行測量，與仿真設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的效果。從圖7的波形工程實(shí)現(xiàn)的時(shí)域波形和頻譜圖可見，硬件的實(shí)現(xiàn)與仿真設(shè)計(jì)結(jié)果3（a）相一致，表明了實(shí)現(xiàn)方案的可行性。4 總結(jié)本文針對雷達(dá)采用復(fù)雜調(diào)制編碼波形的設(shè)計(jì)和應(yīng)用問題，提出采用偽隨機(jī)的頻移鍵控作為編碼方法，設(shè)計(jì)并進(jìn)行了工程實(shí)

8、現(xiàn)。從仿真設(shè)計(jì)和硬件實(shí)現(xiàn)的效果可見，該波形具有較好的脈沖壓縮和非規(guī)則的頻譜覆蓋特征;硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與仿真設(shè)計(jì)結(jié)果相一致，表明工程實(shí)現(xiàn)方案的可行性，可以為復(fù)雜調(diào)制波形的實(shí)現(xiàn)提供有價(jià)值的參考。Reference1Schleher D C.LPI Radar：Factor FictionJ.IEEE Aerospaceand Electronic SystemsMagazine，2006，21（05）：3-6.2Phillip E Pace.Detecting andclassifying low probability ofradarM.Artech House，2004.3Nadav，Levanon.：Radar signal.JohnWiley&Sons，Inc，2004.4張錫熊.低截獲概率（LPI）雷達(dá)的發(fā)展J.現(xiàn)代雷達(dá)，2003;25（12）：1-4.5王德純.寬帶、超寬帶雷達(dá)對抗與反對杭性能分析J.電子工程信息，2003，5：13-15.6Hugh Griffiths，Lawrence Cohen，SimonWatts，